2022-OO-Unit2
作者：互联网
2022-OO-Unit2
mashiroly
1. 总体思路
本单元的需求是模拟多部电梯的调度，重在设计出多线程安全并发协作的架构。基本思路仍是“生产者-消费者”(Producer-Consumer)模式，固定“生产者”和“消费者”，面对不同功能构造不同“盘子”。电梯的运行策略经历了ALS策略到LOOK策略的迭代。在此基础上，通过对线程安全的精心设计，弱化调度、强调自由竞争，以面对非真实场景（指数据或随机或针对性构造，无特征可言）提高性能。
2. 架构迭代
2. 1 第1次作业
思路概述
在拿到题目之初，曾想过设计一个“单例集中式上帝调度器”，电梯只是一个无情的工具人，只需知道自己往哪走就足够了，而生成这一方向信息完全由调度器负责。
但仔细想想实现：在一次循环中，调度器要完成1. 取出一个或所有输入的请求；2. 根据电梯状态完成调度。可能带来的问题有：1. 线程类作为另一个线程的属性是不合理的设计，这就需要分离“电梯状态”（用于共享）与“电梯线程”；2. 似乎将“调度”与“请求输入”同步了，调度器也没必要作为线程；3. 所有复杂度都交给调度器，循环内耗时大，请求不能及时调度。总觉得三个问题叠加后显得这个架构不够具象，还是回到经典的“生产者-消费者”模式吧。
在我的理解中，请求输入—调度、调度—电梯行为都是异步关系，两组关系的前者均不关心后者状态如何、如何处理。参考Training代码，构造两组“生产者-消费者”。图示如下。
架构说明
类图：
说明：
RequestQueue:需求队列，PersonRequest的聚合。共享对象waitQueue和processQueue均是RequestQueue.
待处理队列processQueue由“按电梯划分”和“按楼座划分”的思路（本次作业两者是相同的）。从上一张图也可以看出，我们这里“按电梯划分”，每个电梯ElevatorThread独享一个processQueue。
processQueue的聚合processList由调度器Scheduler直接管理。
Scheduler:调度器。其实所谓“调度”不过是把输入的请求根据电梯ID分配到共享对象processQueue中，称为“Dispatcher”也未尝不可。
ElevatorThread:电梯，自行负责开关门dealIO(),选择运行方向selectStatus(),运行move()，将从属于电梯的行为尽可能内聚。由于对PersonRequest的处理是“人进入电梯，则从processQueue中删除，因此还需用waitTable保存电梯内的人。
此外，dealIO()时需要对processQueue遍历时删除。查阅资料及讨论区，采用迭代器可以完美解决。
调度策略
本次作业采用基准策略ALS，根据指导书描述实现。指导书对ALS的描述看起来很奇怪，其实只有两部分：1. 确定主请求，方向(moveStatus∈{UP, DOWN, STOP})由主请求决定；2. dealIO()时判断稍带。
if (iter.getFromFloor() == nowFloor
&& !waitTable.containsKey(iter.getPersonId())
&& (getRequestDirection(iter).equals(moveStatus)
|| getRequestDirection(iter).equals("STOP")
|| moveStatus.equals("STOP"))
&& !this.isFull()) {
//PersonIn
}
线程安全问题
本次作业还是比较严格的”生产者-消费者“，线程安全问题主要出现在对共享对象的互斥操作。在共享对象类RequestQueue中，对所有读写方法（我的实现中，所有方法都是）设置synchronized同步块，加方法锁。
对于互斥操作涉及多个方法和复杂逻辑（典型如需要遍历processQueue的dealIO())，自然是同步块加对象锁保证互斥。
线程不安全的官方输出需要加方法锁，封装成类，保证调用的互斥。
轮询问题
同步块内wait-notify用于避免轮询。具体而言，如果所有处理未结束，则Scheduler中使用synchronized同步块对waitQueue上对象锁，如果为空则wait()；ElevatorThread对ProcessQueue上锁，如果和waitTalbe均为空则wait()。
只有putRequest()和setEnd()可以notifyAll()，前者是有请求输入，后者是输入结束，以提醒各个线程处理完成后退出。也就是说，只出现两个notifyAll()，保证正确而极大减少轮询。
2.2 第2次作业
思路概述
增加横向电梯？不过是体力劳动罢了。（逃）
同一楼座多部电梯的协作是这次作业的主要问题。为了避免过于复杂的调度器类和调度方法，导致奇怪bug太多、互斥同步复杂，最终还是选择自由竞争，把Request分配给同一楼座的所有电梯、抢不到人就消除请求，就只需解决同步问题了。为此增加了新的共享对象outPassengers.
此外，上周的ALS策略性能不妙，本周改写了LOOK策略。
架构说明
类图：
说明：
整体上变化不大。
ProcessTree类：和上一次作业的processList功能相同，都是待处理队列的聚合。由于自由竞争需要检索同一楼座的所有电梯，涉及遍历，这个类目的就在于构建多级索引减少遍历次数。（后来才发现最多只有15部电梯，直接遍历可能还更快吧）ExPersonRequest：拓展的需求类。Scheduler：负责分配载人请求和直接处理增加电梯请求。（仅一个方法，没必要再加一个电梯管理类）ElevatorThread：横纵电梯集成在一个类，由type切换模式。纯粹是方便拓展横纵可切换的电梯。”按电梯划分“processQueue的优点在这里体现出来了，每部电梯对请求的处理独立，无需手动阻塞避免冲突。OutPassengers：处于电梯外的人。”电梯外“针对全局而非某一楼座，也因此共享对象outPassengers是所有电梯和调度器共享的。和”按楼座划分电梯外的人“相比，全局的“电梯外”牺牲的是访问共享对象时会阻塞所有线程，换来的是避免大量复杂的线程控制，以及方便拓展”换乘“。而“牺牲”可以通过读写锁缓解。
调度策略
纵向：LOOK策略，主请求定方向，记录楼层极值，到当前极值后停下/转向；
横向：类LOOK策略，主请求定方向（最短路径方向），记录目标楼座，到达后停下/转向；
线程安全问题
仍是通过synchronized同步块实现对共享对象outPassengers的互斥读写。
2.3 第3次作业
思路概述
横向电梯新增可达性约束，电梯需要参数化，真的很麻烦呢。
增加换乘需求是主要问题。将所有PersonRequest划分为“纵-横-纵”三阶段，用状态机更新PersonRequest本身，如果未完成则放回waitQueue中。
仍采取自由竞争+LOOK策略。
架构说明
类图：
顺序图：
说明：
其实可以发现，waitQueue和processQueue虽然都是RequestQueue类的对象，但两者的行为、在架构中的位置已然分道扬镳，完全可以再加一层封装或采用多态，各自实现的方法。时间所限没有这样做。
requestQueue新增属性count及相应的加减方法，供waitQueue使用，表示请求未完成的人数。如果没有这一计数，电梯线程将提前被调度器调用的setEndAll()终止。ExPersonRequest内部实现状态机，根据“纵-横-纵”三阶段划分，对外暴露当前阶段的起终点。被电梯线程处理时直接更新本体，放回waitQueue的也是本体。也就是说需求的数量是不变的，变的只有对外暴露的”接口“。Scheduler：由于可信赖的自由竞争，调度器最终也没有实现一开始规划的复杂”调度“任务。不如就叫DIspatcher吧。ElevatorThread：最终也没有出现斜向电梯和类型可变电梯。集成两种类型的电梯就当减少类图工作量吧。
调度策略
中转楼层的选择根据官方策略，遍历所有楼层取有可达电梯的最近楼层。
”按电梯划分“ProcessQueue依然非常适合自由竞争。
线程安全问题和轮询问题
秉持锁最小化的思路，尽量缩减同步块的范围，并避免嵌套，至少绝对不出现:
synchronized(A) {
synchronized(B){
notifyAll()
}
notifyAll()
}
针对不同情况的wait后能正确被唤醒， 在RequestQueue类的subCount()方法增加了第三个notifyAll()，与setEnd()方法的notifyAll()功能完全相同。
3. 度量分析
直接看第3次作业的度量分析。
| method | Cogc | ev(G) | iv(G) | v(G) |
|---|---|---|---|---|
| Scheduler.addPersonRequest(ExPersonRequest) | 16.0 | 6.0 | 6.0 | 7.0 |
| ElevatorThread.checkIn(ExPersonRequest) | 6.0 | 3.0 | 6.0 | 7.0 |
| ElevatorThread.lookUpdown() | 13.0 | 2.0 | 6.0 | 8.0 |
| InputThread.run() | 10.0 | 3.0 | 6.0 | 6.0 |
| ElevatorThread.run() | 15.0 | 5.0 | 8.0 | 10.0 |
| Scheduler.run() | 15.0 | 4.0 | 9.0 | 10.0 |
| ElevatorThread.dealIO() | 27.0 | 4.0 | 12.0 | 12.0 |
| Total | 186.0 | 87.0 | 136.0 | 164.0 |
| Average | 3.0 | 1.40 | 2.19 | 2.64 |
除了run()方法，look策略、dealIO均有遍历并操作，addRequest有多级索引检索，dealIO、checkIn/Out涉及复杂的判断、分支，因此复杂度较高。
| class | OCavg | Ocmax | WMC |
|---|---|---|---|
| SafeOutput | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
| RequestQueue | 1.0 | 1.0 | 13.0 |
| ProcessTree | 1.625 | 4.0 | 13.0 |
| OutPassengers | 1.125 | 2.0 | 9.0 |
| MainClass | 2.0 | 2.0 | 2.0 |
| InputThread | 3.0 | 5.0 | 6.0 |
| ExPersonRequest | 1.84 | 5.0 | 24.0 |
| ElevatorThread | 4.91 | 9.0 | 59.0 |
| Scheduler | 4.25 | 7.0 | 17.0 |
| Total | 144.0 | ||
| Average | 2.32 | 4.0 | 16.0 |
ElecatorThread的复杂符合设计预期。Scheduler的复杂度来自一次循环对多个共享对象操作、反复进行多级索引检索。
4. Bug分析
本单元手工构造数据只能覆盖几种明显的边界情况，主要依靠随机数据生成，参考讨论区和自己的理解造了简陋的评测机。只要开多个终端，我也实现多进程评测了对吧。（雾）
第1次作业的bug是输出线程不安全，输出时间戳顺序不递增。用线程安全的SafeOutput类封装输出解决。
第2次作业的bug是电梯线程对outPassengers的访问涉及两步两个方法，没有加锁，导致线程安全问题。
第3次作业的bug真是欲哭无泪。直接贴修复文档吧。只能说第2次作业的开门逻辑拓展性太差，第3次没多想直接沿用就爆炸了。
修改了电梯在自由竞争中的开门逻辑问题。
横向电梯接人时只考虑起点能开门，没有考虑终点也需要能开门。
举例说明：对某换乘Request选择中转层时，依据某层起终点均可达的电梯Ele 1；但自由竞争中，可能出现中转层另一部电梯Ele 2，对该Request起终点不可达却成功接人。
修改方案：加上对终点的判断条件。
自由竞争时，未被电梯接走的人用共享对象
outPassengers保存。但有关该共享对象的分支和修改放在了if(checkin)分支内，即：先确定能进入，再确定有无此人，如果没有则说明其他电梯接走了，删除Request。在hw6中，由于Request不可变，即使某部电梯已接走人，同层（座）其他电梯总能进入
if(checkin)并正确删除。在本次作业中，我的实现是修改Request本身，而非继续将Request作为不可变对象、new新的Request加入调度。因此，当”building”请求变为“floor”请求（或相反），电梯再也不能进入
if(checkin)，该Request始终无法删除，电梯陷入死循环。修改方案：调整
if(checkin)和查询outPassengers的顺序。
5. 心得体会
纵观三次作业，迭代拓展主要体现在增加实现新功能”共享对象“，经典的”生产者-消费者“模式一招鲜吃遍天下。可以说，想明白了”共享对象“后才真正感觉设计掌握在自己手中。对于outPassengers，可以采用”读者-写者“模式优化。
感觉对比往年作业，今年弱化了调度、强调多线程设计的正确性。为什么这么说呢？因为既没有要求多策略切换，请求集合也没有贴近现实场景的”特征“（也许数据有，但题目中从未提及），实在很难找到某种调度策略应对如此随机和针对性的数据（就好像分支预测永远失败的CPU） ，看似摆烂的自由竞争成为挺不错的选择。在”调度优化“和”多线程设计“两种培养目标的权衡之间，至少我觉得重点放在”多线程设计“体验还不错。
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